森林對水源的涵養(yǎng)研究進展

姬少玲

森林對水源的涵養(yǎng)研究進展

姬少玲

（遼寧省森林經(jīng)營研究所，遼寧丹東118003）

水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要組成之一，闡明森林對水源涵養(yǎng)的過程與機理，對于明確森林的水源涵養(yǎng)功能，科學(xué)合理地培育水源涵養(yǎng)林具有重要意義。本文分別從林冠層、枯落物層、土壤層等三個層次，分析了森林的水文特征與水文過程，并進一步剖析森林蒸發(fā)散與森林植被對水質(zhì)的影響，旨在為進一步科學(xué)評價的森林水源涵養(yǎng)功能，尋找水源涵養(yǎng)過程的規(guī)律，以期為森林生態(tài)環(huán)境的建設(shè)和保護提供科學(xué)依據(jù)。

森林；水源涵養(yǎng)；水文特征

近年來，水資源短缺的問題日趨嚴(yán)重，森林的涵養(yǎng)水源功能與作用逐漸受到關(guān)注，有關(guān)森林水源涵養(yǎng)功能的研究也日漸增加。水源涵養(yǎng)林（也稱水源林）作為防護林種之一，泛指河川、水庫、湖泊等上游集水區(qū)內(nèi)的大面積森林。森林涵養(yǎng)水源主要是指森林能增加枯水期徑流量，緩和大雨時漲水，減緩洪峰流量、增加年總徑流量等［1］。目前，狹義的水源涵養(yǎng)功能指“森林?jǐn)r蓄降水或調(diào)節(jié)河川徑流量的功能”，廣義的水源涵養(yǎng)功能指“森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)多個水文過程及其水文效應(yīng)的綜合表現(xiàn)”［2］。森林涵養(yǎng)水源的過程主要體現(xiàn)在森林生態(tài)系統(tǒng)各個層次之間的水分分配和運動過程，包括林冠截留、枯落物截留、土壤蓄水、地表徑流、森林蒸發(fā)散和對水質(zhì)的影響等。

1 林冠層的水文特征

大氣降水進入森林后，林冠層的葉、枝、干等首先截留一部分降水，枝葉表面吸附和積蓄一部分雨量形成林冠截留；隨著降雨量的增加，一部分直接滴落和穿過林冠間隙的雨水一起到達地面形成穿透雨，另一部分則沿枝條樹干匯流到地面形成樹干徑流，即林冠層將大氣降水分配為穿透雨、樹干徑流和林冠截留三部分［3］，直接改變了降雨特征和空間分配格局，影響了森林生態(tài)系統(tǒng)的水文循環(huán)和水量平衡，具有重要的生態(tài)水文意義［4］。

1.1 林冠截留

林冠截留是大氣降水在森林生態(tài)系統(tǒng)的首次分配過程，主要受森林類型、林分特征、降水特征等因素影響［5］。在一定降水量范圍內(nèi)，林冠截留量隨著降水量增加而增加，樹干粗糙程度、枝葉稠密與粗糙程度等均影響截留降水量；針葉林枝葉密集，一次性降水截留量大于闊葉林［6］，森林林冠截留量與林分郁閉度呈正相關(guān)，林冠截留率與單次降水量和降水強度均呈負(fù)相關(guān)［7］。

1.2 樹干徑流

樹干徑流指降雨沿葉片、枝條、莖干向下運動，最終到達植物根部的水量［8］。樹干徑流量與降雨特征和植被結(jié)構(gòu)特征相關(guān)。研究表明：樹干徑流量與降雨量之間呈線性關(guān)系［9］；樹干胸徑對樹干徑流量的大小產(chǎn)生影響［10］。一般，樹干徑流量占林外降雨量的0.5%－14%［11］，但水分通過對植物葉片、枝條和樹干的洗刷后，樹干徑流和林冠穿透雨的水質(zhì)有較大差異［12］。

1.3 林下灌木及草本層持水

灌草層位于森林喬木層下，不僅能截留一部分雨水，而且還能分散、減弱林內(nèi)的降雨動能，減緩降水對林地表面的直接沖擊，是森林截流降水的重要組成部分［13］。灌草層截留主要受林分結(jié)構(gòu)、郁閉度和本身蓋度等的影響。研究表明：林下灌草層截留量與蓋度成正比，與林分郁閉度呈負(fù)相關(guān)，林冠郁閉度高的類型，灌木草本稀少、覆蓋度低，灌木草本層的截留量?。?4］，而且冠層結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性直接決定了林下草本植物群落的組成［15］。

2 枯落物層水文特征

枯落物層具有防止雨滴擊濺土壤、攔蓄滲透降水、分散減少地表徑流和覆蓋減少表層土壤水分蒸發(fā)等作用［16］。影響森林枯落物持水性能的因素包括：枯落物組成、森林郁閉度、植被類型、年齡階段等。研究表明：不同年齡階段森林枯落物儲量不同，隨著林齡的增加，單位面積枯落物最大持水能力呈增加趨勢［17］；枯落物層截留量取決于枯落物蓄水容量［18］，通常，半分解枯落物的蓄積量大于未分解層，半分解層的最大持水量大于未分解層［19］。枯落物截留動態(tài)過程受大氣降水和環(huán)境因子影響，且與自身濕潤程度等有關(guān)。

3 土壤層水文特征

土壤層水文特征主要指水分在土壤層的運動，一部分滯蓄于土壤中形成土壤水，被植物根系吸收用于蒸騰或直接蒸發(fā)回歸到大氣中；一部分沿土壤孔隙向周圍和深層擴散形成壤中流［20］；當(dāng)降水強度大于入滲強度或暫時貯存于土壤中的水分超過一定限度時就產(chǎn)生地表徑流，其截留效應(yīng)受喬木層、枯落物層截留的間接影響［2］。森林土壤層的水文特征受土壤貯水特征和土壤水分入滲特征影響。土壤水分入滲過程和滲透能力影響土壤層的水文特征，影響坡地地表徑流和流域產(chǎn)流及土壤水分狀況。通常毛管孔隙度高的土壤結(jié)構(gòu)其持水量高，透水較慢，而非毛管孔隙比例大的土壤，其滲透性能良好，雨水下滲速度較快，涵養(yǎng)水源能力相對較強［21］。

4 森林蒸發(fā)散

森林蒸發(fā)散是森林生態(tài)系統(tǒng)向大氣輸送水汽的總量，包括土壤和植物表面的水分蒸發(fā)及植物的皮孔、氣孔和角質(zhì)層蒸騰等［22］。森林蒸散量受林齡、氣候和降雨量等因子影響［23］。森林蒸散量隨降雨量增加而微弱增加［24］，濕潤冠層的蒸發(fā)率要大于干燥冠層的蒸發(fā)率［25］。一般森林蒸發(fā)散大于無林區(qū)蒸發(fā)散，但實際森林總蒸發(fā)量與無林地水面的蒸發(fā)量較接近［26］。目前對森林蒸散的研究主要集中在測定和計算方法上。

5 森林植被對水質(zhì)的影響

森林植被對水質(zhì)的影響貫穿于大氣降水在森林生態(tài)系統(tǒng)中的分配過程：在林冠層主要表現(xiàn)為雨水對樹木表面分泌物的溶解、對枝葉表面粉塵、微粒等大氣懸浮沉降物的淋洗以及枝葉對降水中離子的吸收等［27］，常綠闊葉林通常對酸性降雨有一定的緩沖能力，通過離子交換使穿透雨pH值高于大氣降水［28］；在枯落物層和土壤層主要表現(xiàn)為活地被物對降水中離子的吸收、枯落物的淋洗、微生物對化合物的分解以及對離子的攝取、土壤顆粒的物理吸附、土壤對金屬元素的化學(xué)吸附和沉淀等［2］?？萋湮飳幽苓^濾、吸附穿透雨中的各種物質(zhì)，同時其自身所含的可溶性元素大量溶入其中［29］，通常通過枯落物層的水質(zhì)發(fā)生較大改變。

6 研究展望

森林的水源涵養(yǎng)功能涉及植被、氣候、地質(zhì)地貌等多個因素之間的相互作用和影響［30］，是一個極其復(fù)雜的綜合過程，而且在不同地區(qū)、不同林型其功能發(fā)揮過程與機理均有所不同，目前多數(shù)研究主要集中在對水源涵養(yǎng)量的測定分析，通過建立評價指標(biāo)體系分析森林的涵養(yǎng)水源能力。為了更科學(xué)地認(rèn)識森林涵養(yǎng)水源的水文過程機理，在以后的研究中應(yīng)利用森林野外定位觀測站點，定位開展典型森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能監(jiān)測與分析。采取野外實際觀測和理論模擬的方法，分析研究典型森林生態(tài)系統(tǒng)的水文過程與機理。應(yīng)用GPS、RS等衛(wèi)星遙感技術(shù)，在全球尺度上開展森林的空間格局和動態(tài)變化對水文過程影響的研究。在不同區(qū)域的時間和空間尺度上為明確森林水源涵養(yǎng)功能的科學(xué)問題開展深入研究。

［1］片岡順，王麗.水源林研究述評［J］.水土保持科技情報，1990（4）：44－45

［2］張彪，李文華，謝高地，等.森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能及其計量方法［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2009，28（3）：529－534

［3］Marin C T，Bouten W，Sevink J.Gross rainfall and its partitioning into throughfall，stemflow and evaporation of intercepted water in four forest ecosystems in western Amazonia［J］.Journal of Hydrology，2000，237（1）：40－57

［4］趙海榮，帥偉，李靜，等.華西雨屏區(qū)幾種典型人工林降雨截留分配特征［J］.水土保持學(xué)報，2014，28（6）：94－100

［5］陳書軍，陳存根，曹田健，等.降雨特征及小氣候?qū)η貛X油松林降雨再分配的影響［J］.水科學(xué)進展，2013，24（4）：513－521

［6］孫向陽，王根緒，李偉，等.貢嘎山亞高山演替林林冠截留特征與模擬［J］.水科學(xué)進展，2011，22（1）：23－29

［7］馬惠，張洪江，王偉，等.重慶四面山不同森林類型林冠的截留作用［J］.中國水土保持科學(xué)，2010，8（6）：108－114

［8］Levia D F，F(xiàn)rost E E.A review and evaluation of stemflow literature in the hydrologic and biogeochemical cycles of forested and agricultural ecosystems［J］.Journal of Hydrology，2003，274（1）：1－29

［9］Park A，Cameron J L.The influence of canopy traits on throughfall and stemflow in five tropical trees growing in a Panamanian plantation［J］.Forest Ecology and Management，2008，255（5）：1915－1925［10］王佑民.中國林地枯落物持水保土作用研究概況［J］.水土保持學(xué)報，2000，14（4）：108－113

［11］胡珊珊，于靜潔，胡堃，等.華北石質(zhì)山區(qū)油松林對降水再分配過程的影響［J］.生態(tài)學(xué)報，2010，30（7）：1751－1757

［12］王青春，鄧紅兵，王慶禮，等.三峽庫區(qū)柏木林降雨的再分配及養(yǎng)分循環(huán)研究［J］.長江流域資源與環(huán)境.2000，9（4）：451－457

［13］段興鳳.元陽梯田水源區(qū)森林水源涵養(yǎng)功能研究［D］.昆明：西南林業(yè)大學(xué)，2011：33－36

［14］寇韜，李春燕，宮照紅，等.水源涵養(yǎng)林研究現(xiàn)狀綜述［J］.防護林科技，2009（5）：59－62

［15］余敏.山西靈空山林分冠層結(jié)構(gòu)與草本植物群落分析［D］.北京：北京林業(yè)大學(xué)，2013：19－26

［16］賈志軍，王富，甄寶艷，等.不同生態(tài)修復(fù)措施下桃林口水庫水源涵養(yǎng)區(qū)枯落物的蓄水保水效益［J］.水土保持研究，2012，19（3）：136－139

［17］趙亮生，閆文德，項文化，等.不同年齡階段杉木人工林枯落物層水文特征［J］.西北林學(xué)院學(xué)報，2013，28（4）：1－5

［18］程金花，張洪江，史玉虎.三峽庫區(qū)三種林下地被物儲水特征［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2003，14（1）：1825－1828

［19］王波，張洪江，徐麗君，等.四面山不同人工林枯落物儲量及其持水特性研究［J］.水土保持學(xué)報，2008，22（4）：90－94

［20］王力，邵明安，王全九.林地土壤水分運動研究述評［J］.林業(yè)科學(xué)，2005（2）：147－153

［21］李金良，鄭小賢，陸元昌.六盤山水源林林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整研究［J］.林業(yè)資源管理，2012（5）：31－38

［22］馬雪華.森林水文學(xué)［M］.中國林業(yè)出版社，1993：30－40

［23］韓永剛，楊玉盛.森林水文效應(yīng)的研究進展［J］.亞熱帶水土保持，2007，19（2）：20－25

［24］Flerchinger G N，Cooley K R.A ten－year water balance of a mountainous semi－arid watershed［J］.Journal of Hydrology，2000，237（1）：86－99

［25］Holwerda F，Bruijnzeel L A，Scatena F N，et al.Wet canopy evaporation from a Puerto Rican lower montane rain forest：The importance of realistically estimated aerodynamic conductance［J］.Journal of Hydrology，2012，414（11）：1－15

［26］高人，周廣柱.遼寧東部山區(qū)幾種主要森林植被類型的蒸騰作用［J］.遼寧農(nóng)業(yè)科學(xué)，2000（6）：5－8

［27］余新曉，張志強，陳麗華.森林生態(tài)水文［M］.北京：中國林業(yè)出版社，2004：68－95

［28］王靜.天童常綠闊葉林大氣降雨再分配及降雨分量的化學(xué)特征［D］.上海：華東師范大學(xué)，2008：59－64

［29］趙海燕.川南三種林分凋落物分解及生化特性研究［D］.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012：25－32

［30］Zhang B，Yan Y P，Yang Y G.Regional differences of water conservation in Beijing’s forest ecosystem［J］.Journal of Forestry Research，2011，22（2）：295－300

S273

A

10.13601／j.issn.1005－5215.2017.07.031

2017－05－11

姬少玲（1963－），女，遼寧綏中人，大專，高級工程師，現(xiàn)從事林業(yè)種苗培育研究.